"In astrofisika het ons net hierdie een heelal wat ons kan waarneem," sê Mark Vogelsberger, 'n MIT-fisikaprofessor. "Met 'n rekenaar kan ons verskillende heelalle skep, wat ons kan nagaan."
Met al sy briljante kompleksiteit is die Melkweg nogal onmerkbaar soos sterrestelsels gaan. Ten minste, dit is hoe Mark Vogelsberger dit sien.
"Ons sterrestelsel het 'n paar kenmerke wat 'n bietjie verbasend kan wees, soos die presiese aantal strukture en satelliete rondom dit," mymer Vogelsberger. "Maar as jy gemiddeld oor baie statistieke is, is die Melkweg eintlik 'n redelik normale plek."
Hy behoort te weet. Vogelsberger, 'n pas aangestelde medeprofessor in MIT se Departement Fisika, het 'n groot deel van sy loopbaan daaraan bestee om die geboorte en evolusie van honderdduisende sterrestelsels te herskep, vanaf die heel vroegste oomblikke van die heelal tot vandag toe. Deur die krag van superrekenaars oor die hele wêreld in te span, het hy van die mees presiese teoretiese modelle van sterrestelselvorming vervaardig, in betowerende detail.
MIT-medeprofessor Mark Vogelsberger het baie van sy loopbaan spandeer om die geboorte en evolusie van honderdduisende sterrestelsels te herskep, vanaf die heel vroegste oomblikke van die heelal, tot vandag toe. In hierdie portretillustrasie toon die agtergrond die topologie van haloskaalgasvloei rondom 'n enkele TNG50-stelsel. Krediet: Jose-Luis Olivares, MIT. Agtergrondfiguur met vergunning van IllustrisTNG Collaboration.
Sy simulasies van die heelal het getoon dat sterrestelsels kan ontwikkel in 'n menasie van vorms, groottes, kleure en trosse, wat 'n duidelike diversiteit in die sterrestelselbevolking vertoon, wat ooreenstem met wat sterrekundiges in die werklike heelal waargeneem het. Deur die simulasies as 'n soort rekenaarrolprentrol te gebruik, kan wetenskaplikes die band terugspoel om die fisiese prosesse wat die vorming van sterrestelsels onderlê, sowel as die verspreiding van donker materie deur die heelal, in detail te bestudeer.
By MIT gaan Vogelsberger voort om sy simulasies te verfyn, hulle verder terug te stoot in tyd en oor groter uitspansels van die heelal, om 'n prentjie te kry van hoe vroeë sterrestelsels gelyk het. Met hierdie simulasies help hy sterrekundiges om te bepaal watter soort strukture die volgende generasie teleskope werklik in die vroeë heelal kan sien.
Een heelal
Vogelsberger het grootgeword in Hackenheim, 'n klein dorpie met sowat 2,000 XNUMX inwoners in Wes-Duitsland, waar byna elke aand 'n perfekte aand was vir sterrekyk.
"Daar was baie min ligbesoedeling, en daar was letterlik 'n perfekte lug," onthou hy.
Toe hy 10 was, het Vogelsberger se ouers vir hom 'n kinderboek gegee wat feite oor die sonnestelsel ingesluit het, wat hy erken dat dit sy vroeë belangstelling in sterrekunde aangewakker het. As tiener het hy en 'n vriend 'n tydelike sterrekunde-laboratorium opgerig en hulself geleer hoe om teleskope op te stel en verskeie instrumente te bou, waarvan hulle een ontwerp het om die magneetveld van verskillende streke van die son te meet.
Duitsland se universiteitsprogramme het destyds geen astronomiegrade aangebied nie, daarom het hy besluit om 'n diploma in rekenaarwetenskap te volg, 'n belangstelling wat hy parallel met sterrekunde ontwikkel het. Hy het vir twee semesters by die Kalrsruhe Instituut vir Tegnologie ingeskryf, en toe besluit om na 'n algemene fisika-diploma te draai, wat hy aan die Universiteit van Mainz voltooi het.
Hy is toe na die Universiteit van München, waar hy geleer het om rekenaarwetenskaptegnieke toe te pas op vrae oor sterrekunde en astrofisika. Sy PhD-werk daar, en by die Max Planck Instituut vir Astrofisika, behels die simulasie van die gedetailleerde struktuur van donker materie en hoe dit op klein skale oor die heelal versprei word.
Die numeriese simulasies wat hy help ontwikkel het, het getoon dat donker materie op klein skale vergelykbaar met die grootte van die aarde kan saamklonter en deur die heelal beweeg in "strome", wat die navorsers vir die eerste keer deur hul simulasies kon kwantifiseer. .
"Ek het dit altyd geniet om deur 'n teleskoop as 'n stokperdjie te kyk, maar om 'n rekenaar te gebruik om eksperimente met die hele heelal te doen, was net 'n baie opwindende ding," sê Vogelsberger. “In astrofisika het ons net hierdie een heelal wat ons kan waarneem. Met 'n rekenaar kan ons verskillende heelalle skep, wat ons kan kontroleer (met waarnemings). Dit was vir my baie aanloklik.”
“Alles ontwikkel”
In 2010, nadat hy 'n PhD in fisika verwerf het, het Vogelsberger na Harvard Universiteit gegaan vir 'n postdoktorale by die Sentrum vir Astrofisika. Daar het hy sy navorsing herlei na sigbare materie, en na die nabootsing van die vorming van sterrestelsels deur die heelal.
Hy het die grootste deel van sy postdoktorale studie bestee aan die bou van wat uiteindelik sou wees Illustris - 'n hoogs gedetailleerde en realistiese rekenaarsimulasie van sterrestelselvorming. Die simulasie begin deur die toestande van die vroeë heelal, ongeveer 400,000 13.8 jaar na die Oerknal, te modelleer. Van daar af simuleer Illustris die uitdyende heelal oor sy evolusie van XNUMX miljard jaar, en ondersoek die maniere waarop gas en materie graviteer en kondenseer om sterre, swart gate en sterrestelsels te vorm.
"As jy een van hierdie simulasies van begin tot einde op 'n tafelrekenaar laat loop het, sal dit 'n paar duisend jaar neem," sê Vogelsberger. "So, ons moes hierdie werk onder tienduisende rekenaars verdeel om 'n redelike looptyd van ongeveer ses maande te kry."
Hy en sy kollegas het die simulasies op superrekenaars in Frankryk, Duitsland en die Verenigde State uitgevoer om die evolusie van sterrestelsels binne 'n kubieke volume van die heelal wat 350 miljoen ligjare deursnee meet, weer te gee - die grootste simulasie van die heelal wat ooit op daardie stadium ontwikkel is.
Die aanvanklike uitvoer van Illustris het die vorm van getalle aangeneem. Vogelsberger het 'n stap verder gegaan om daardie getalle in visuele vorm weer te gee, en die ontsaglike komplekse berekeninge saamgevat in kort, verstommende video's van 'n roterende kubus van die vroeë uitdyende heelal, wat sade van kolkende sterrestelsels laat uitspruit.
Vogelsberger en sy kollegas het 'n referaat gepubliseer in Aard in 2014, met besonderhede oor die simulasie se uitset, saam met sy visualiserings. Sedertdien het hy talle versoeke vir die simulasies ontvang van wetenskaplikes, media en planetariums, waar die visualisering van sterrestelselvorming op koepels in hoë definisie geprojekteer is. Die simulasies is selfs herdenk in die vorm van 'n Duitse posseël.
In 2013 het Vogelsberger by die fisika-fakulteit by MIT aangesluit, waar hy onthou dat hy aanvanklike twyfel gehad het of hy met die "top of the top" kan byhou.
“Ek het baie vinnig besef mense het hoë verwagtinge, maar hulle help jou ook om te bereik wat jy moet bereik, en die departement is uiters ondersteunend op alle vlakke,” sê hy.
By MIT het hy voortgegaan om rekenaarsimulasies te verfyn vir beide sterrestelselvorming en donker materieverspreiding. Onlangs het sy groep vrygelaat Illustris TNG, 'n groter en meer gedetailleerde simulasie van sterrestelselvorming. Hulle werk ook aan 'n nuwe simulasie van bestralingsvelde in die vroeë heelal, asook verken verskillende modelle vir donker materie.
"Al hierdie simulasies begin met 'n eenvormige heelal - niks anders as helium, waterstof en donker materie nie," sê Vogelsberger. “En wanneer ek kyk hoe alles ontwikkel om na iets soos ons heelal te lyk, laat dit my wonder hoe ver ons gekom het met ons begrip van fisika. Die mensdom bestaan al vir 'n kort tydperk; nietemin, ons kon al hierdie teorieë en tegnologieë ontwikkel om so iets te kan doen. Dit is nogal ongelooflik.”
